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鑄造鋁合金
以熔融金屬充填鑄型,獲得各種形狀零件毛坯的鋁合金
鑄造鋁合金是以熔融金屬充填鑄型,獲得各種形狀零件毛坯的鋁合金。具有低密度,比強度較高,抗蝕性和鑄造工藝性好,受零件結構設計限制小等優點。以Al-Si和Al-Si-Mg-Cu為基的中等強度合金;Al-Cu為基的高強度合金;Al-Mg為基的耐蝕合金;A以AlRe為基的熱強合金。大多數需要進行熱處理以達到強化合金、消除鑄件內應力、穩定組織和零件尺寸等目的。用於製造梁、燃汽輪葉片、泵體、掛架、輪轂、進氣唇口和發動機的機匣等。還用於製造汽車的氣缸蓋、變速箱和活塞,儀器儀錶的殼體和增壓器徠泵體等零件。
採用鑄造工藝直接獲得所需零件所使用的鋁合金。要求它有理想的鑄造性:良好的流動性,較小的收縮、熱裂及冷裂傾向性,較小的偏析和吸氣性。鑄造鋁合金的元素含量一般高於相應變形鋁合金的,多數合金接近共晶成徠分。
1905~1925年,歐美國家在研究鋁合金相圖的基礎上開展了工業鋁合金的研究。最初研究了鋁-鎳合金,但其鑄造性能不佳,因此鎳未能成為主要強化元素。其後研究了在鋁中加入銅、鎂、錳、硅等元素,獲得了較為理想的性能,因而發展了一些二元及多元的鑄造鋁合金,其中著名的硅鋁明合金在1920年前後用於工業。
鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能,可以製成形狀複雜的零件;不需要龐大的附加設備;具有節約金屬、降低成本、減少工時等優點,在航空工業和民用工業得到廣泛應用。
現代鑄造鋁合金按主要加入的元素可分為4個系列,即:鋁硅系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系。對這4個系列,各國都有相應的合金和合金牌號的標記。中國採用ZL+3位數字標記法,第一位數字錶示合金系,其中:1表示鋁硅合金系,2表示鋁銅合金系,3表示鋁鎂合金系,4表示鋁鋅合金系,第二、三位數字錶示合金序號。中國的幾種典型鑄造鋁合金如表所示,根據合金的使用特性可分為:耐熱鑄造鋁合金、氣密鑄造鋁合金、耐蝕鑄造鋁合金和可焊鑄造鋁合金
通常硅含量為4%~13%,又稱“硅鋁明”合金。鑄造性能最佳,裂紋傾向性極小,收縮率低,有很好的耐蝕性和氣密性以及足夠的力學性能和焊接性能。此系合金在工業上的應用雖較鋁-銅系合金晚些,但於1920年發現可進行變質處理后,使該系合金的組織和性能得到改善,拓寬了使用範圍,在用量上幾乎占鑄造鋁合金的50%。鋁硅系合金可分為共晶型、亞共晶型、過共晶型和添加銅、鎂、錳等複雜的共晶合金。ZL102合金為典型的二元共晶合金,共晶溫度為577℃,共晶成分為12.6%Si,共晶溫度下α固溶體中溶解1.6%Si,室溫下溶解約0.05%Si;β相為鋁溶於硅中的固溶體,其溶解度極小,因而共晶組織為α+Si兩相組成。多元合金的組織中,除α和硅外,還有θ(CuAl2)、W(AlxMg5Si4)等相(見鋁合金的相)。含銅的鋁硅合金可熱處理強化,但耐蝕性差。合金中硅相的形狀對強度和塑性有顯著的影響,通過變質處理(在熔體中加入鈉或銻),使硅相球化,合金的組織和性能得以改善。過共晶合金中的粗大初晶硅有害於力學性能和切削性能,常加入磷,形成AlP化合物,使初晶硅細化,減少其有害影響。
是最早出現的工業鑄造鋁合金。該系合金有高的強度和熱穩定性,但鑄造性和耐蝕性差。銅含量一般低於銅在鋁中的溶解度極限(5.85%),平衡組織中無共晶體,非平衡條件下,可能出現少量共晶體,經固溶處理,使固溶體過飽和,可獲得時效強化效果。合金中加入錳、鈦可使晶粒細化,能補充強化和改善耐蝕性。
該系合金強度高,耐蝕性最佳,密度小,有較好的氣密性。鋁鎂二元鑄造合金,鎂含量高達11.5%,多元合金中的鎂含量一般為5%左右。合金的組織為α+β(Mg5Al8)相組成,熱處理的強化效果不明顯,主要為固溶強化。β(Mg5Al8)相沿晶界呈網狀析出時,抗蝕性和力學性能變壞。為防止β(Mg5Al8)相沿晶界析出,多在固溶狀態下使用。合金中加入硅和錳能改善合金的流動性。
該系合金在鑄造狀態就具備淬火組織特徵,不進行熱處理就可獲得高的強度,但合金的密度大,不適宜製作飛機零件。該合金系是在硅鋁明合金的基礎上加鋅而成,因此亦稱“鋅硅鋁明”合金。
中國幾種典型鑄造鋁合金的主要成分和性能
合金系 | 牌號 | 主要元素/% | 鑄造 方法① | 狀 態② | 力學性能(最小值) | ||||||||
Si | Cu | Mg | Zn | Mn | 其他 | Al | σb /MPa | δ /% | HB /MPa | ||||
鋁-硅 | ZL101 | 6.5~7.5 | - | 0.25~0.45 | - | - | - | 余量 | SB,RB, KB | T6 | 222 | 1 | 700 |
ZL102 | 10.0~13.0 | - | - | - | - | Ti 0.08~0.20 | 余量 | SB,RB KB | T6 | 271 | 1 | 900 | |
ZL108 | 11.0~13.0 | 1.0~2.0 | 0.4~1.0 | - | 0.3~0.9 | 余量 | J | T6 | 251 | - | 990 | ||
鋁-銅 | ZL201 | - | 4.5~5.3 | - | - | 0.6~1.0 | Ti 0.15~0.25 | 余量 | S,j R,K | T5 | 330 | 4 | 900 |
ZL207 | 1.6~2.0 | 3.0~3.4 | 0.15~0.25 | - | 0.9~1.2 | Ni0.25 Zr0.20 | 余量 | S | T1 | 153 | - | 750 | |
鋁-鎂 | ZL301 | - | - | 9.5~11.0 | - | - | - | 余量 | S,j R | T4 | 280 | 9 | 600 |
ZL303 | 0.8~1.3 | - | 4.5~5.5 | - | 0.1~0.4 | - | 余量 | S,j R,K | F | 143 | 1 | 550 | |
鋁-鋅 | ZL401 | 6.0~8.0 | - | 0.1~0.3 | 9.0~13.0 | - | - | 余量 | S,R K | T1 | 192 | 2 | 800 |
①鑄造方法中:S—沙模鑄造;j—金屬模鑄造;R—熔模鑄造;K—殼型鑄造;B—變質處理;
②合金狀態中:F—鑄態;T1—自然時效;T4—固溶處理加自然時效;T5—固溶處理加不完全人工時效;T6—固溶處理加完全人工時效。
鋁合金精鍊主要是去除合金液中的氣體和非金屬夾雜物。鋁合金中的氣體主要是氫(佔85%以上),夾雜物主要是氧化鋁。由於氫在液態和固態鋁合金中的飽和溶解度相差近20倍,在鋁合金凝固過程中極易析出氫,使鑄件產生針孔。夾雜物和氣體是相互作用的,在工業純鋁中每100g鋁合金液中氫含量高於0.1mL時,就會出現氣孔,而在高純鋁中每100g鋁合金液中含氫量高達0.4mL時,才會出現氣孔。可見除氣必須除渣,而除渣是除氣的基礎。
鋁合金常用的精鍊劑是六氯乙烷或氯鹽,這種精鍊劑除氣和除渣效果非常好,但不利於環保,正在逐步被無毒精鍊劑取代。國內外研究者開發了兩類有效的精鍊方法,即旋轉葉輪法(RID法)和噴射熔劑法(FI法)。旋轉葉輪法(RID法)是往合金液中通惰性氣體,通過葉輪旋轉切割將大氣泡打碎成直徑約為0.5mm的小氣泡,它們均勻分佈於合金液中,緩緩上升,可提高除氣效果;熔劑噴射法(FI法)是將粉狀熔劑以惰性氣體作載體均勻噴入合金液,增加熔劑與合金液接觸面積,增強除渣作用,同時熔劑改變氣泡與合金液界面的性質,提高惰性氣體的除氫效果。目前,效果比較好的精鍊方法是將上述兩種方法結合起來使用,即旋轉噴吹法,在旋轉葉輪法的基礎上,往合金液中噴粉狀熔劑。